Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
56
Capítulo 3
Descrição da Estação de Trabalho do Sistema de
bombeamento
3.1) Introdução
Para o melhor entendimento das características e funcionalidades da estação de trabalho, esta será inicialmente apresentada em forma de plantas didáticas. O objetivo é apresentar detalhadamente todos os equipamentos envolvidos nesta planta, tais como: medidores de grandezas elétricas e mecânicas; atuadores de vazão, pressão, etc; acionamentos com partida suave, partida direta e inversor de freqüência. Todos desenvolvidos para aplicação de comando e controle industrial. A planta está apta a simular diversas condições operativas de cargas comumente utilizadas em processos industriais.
3.2) Estação de trabalho do LAMOTRIZ
3.2.1) Características gerais da planta industrial
A estação de trabalho da bomba centrífuga é equipada com um sistema completo de controle e acionamento, em painel independente, contendo três formas distintas e autônomas de partida, quais sejam: partida direta, soft-starter e inversor de freqüência.
57
Nesta estação de trabalho estão instalados um motor de linha padrão e um da linha alto-rendimento, ambos podem acionar a carga de modo independente através de um sistema de trilhos que permite uma rápida e simples troca de motores. Neste sentido, as figuras 3.1 e 3.2 mostram através de fotografias, uma visão geral da planta industrial do LAMOTRIZ.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
58
Figura 3.2 – Equipamentos de informática
Para monitoramento e controle, a bancada é equipada com computador dedicado, no qual está instalado o sistema supervisório confeccionado com o software Indusoft 6.1
SP2. O módulo de carga é composto por: uma bomba centrífuga, dois reservatórios de água
e, também, por dispositivos sensores e atuadores. No painel de controle e atuação, ainda, estão instalados o controlador lógico programável (CLP), medidor de grandezas elétricas e elementos de acionamento e proteção como contatores, disjuntores e fusíveis.
A planta industrial forma um sistema de acionamento completo, composto por proteção e medição; sistemas de automação e medição integrados, capazes de controlar automaticamente a execução, a coleta de dados e a emissão de relatórios. O acionamento é composto por dois motores (convencional e alto rendimento) e pelos três modos de partida citados anteriormente, permitindo a visualização de diversas formas de controle e operação de equipamentos industriais similares e de maior porte, com uma variação controlada da carga aplicada ao motor elétrico.
59
O sistema é dividido em duas bancadas, sendo que a primeira contém um microcomputador (CPU, monitor, teclado, no-break e mouse), onde se encontra instalado o sistema supervisório e a segunda abriga o sistema de comando e os elementos de acionamento e proteção. Adicionalmente, esta estação de trabalho também é responsável pela medição dos parâmetros elétricos de entrada dos motores, bem como o acondicionamento do sistema de aquisição dos dados mecânicos, hidráulicos e térmicos.
A planta possui uma comunicação interna via Modbus RTU, com velocidade de 19.200, 8 data bits, 1 stop bit, sem paridade. Esta rede interliga o CLP, os acionamentos (partida suave, inversor de freqüência e partida direta) e o medidor de energia elétrica. A rede de comunicação da bancada da bomba centrífuga está representada na figura 3.3.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
60
3.2.2 – Características específicas do sistema de bombeamento
O presente item retrata as características específicas para a estação de trabalho do sistema de bombeamento. Além da bomba centrífuga, esta bancada é composta por um dinamômetro, tipo freio de Focault. Assim, a mesa referente ao conjunto motor-bomba foi dimensionada para a instalação da bomba centrífuga e dinamômetro.
A fotografia apresentada na figura 3.4 mostra o conjunto motor-bomba fixo na estação de trabalho.
Figura 3.4 – Conjunto motor-bomba fixos na bancada
A fixação dos motores na mesa permite que os mesmos sejam conectados em ambas as cargas possibilitando tanto a troca de motores quanto a troca de carga, quer sejam: bomba centrífuga e dinamômetro. Esta troca de posição entre as cargas, também, é isenta de alterações nas conexões elétricas.
O diagrama orientativo mostrado pela Figura 3.5 permite uma melhor visualização das características obtidas. Vale ressaltar que o diagrama na figura não apresenta todos os instrumentos necessários.
61
Figura 3.5 – Diagrama orientativo da bancada da bomba centrífuga
O módulo de carga é composto por dois reservatórios com capacidade de 100 litros cada, de material transparente (acrílico), sendo que o primeiro foi instado na parte inferior da bancada e o segundo a uma altura de 2 metros. Entre os reservatórios está instalado um duto de escoamento com uma válvula elétrica de retenção e um by-pass, feito com uma
M BANCADA – 1 DINAMÔMETRO IF Controle e Aquisição de dados 3F+N+T 220/127 V – 60 T M BANCADA – 1 BOMBA CENTRÍFUGA P V T Multi Medidor N M BANCADA – VISTA SUPERIOR CP SUPERVISÓRIO BOMBA SWITCH I/O Modbus Analógico Torque Ethernet M θ θ C C SS IF C C PD C C C D C – Contator PD – Partida Direta IF – Inversor de Freq. SS – Partida Suave CP – Controlador Programável V – Sensor de Vazão P – Sensor de Pressão N – Sensor de Nível T – Sensor de Torque Θ – Sensor de velocidade M1 – Motor Convencional M2 – Motor Alto Rendimento D – Dinamômetro
Compor válvul uma v pressã os sen instant reserv princip funcio rtamento elétrico la manual. N válvula eletr ão e vazão. E nsores menc tâneos) e m atório super A tabela 3 pais serão ex onamento. o, mecânico e hid Na saída da ro-pneumáti Em ambos os cionados têm mostrados no ior, construt Figura 3.6 – R 3.1 enumera xplorados po dráulico de um s bomba cent ca proporci s reservatório m seus indic o sistema su tivamente, am Reservatório su a todos os c osteriorment sistema de bomb 62 trífuga estão onal de estr os foram ins cativos mon upervisório mbos os rese uperior da ban componentes te, tanto em beamento sob o e o presentes u rangulament stalados tran nitorados (hi da bancada ervatórios sã ncada de bombe s presentes sua função enfoque da eficiê uma válvula to e os tran nsmissores de istórico, cur a. A figura ão iguais. eamento na estação na bancada ência energética a de retençã nsmissores d e nível. Todo rvas e valor 3.6 mostra industrial. O como em se a ão, de os es o Os eu
63
Tabela 3.1 – Componentes presentes na estação de bombeamento
Item Quant. Ref. Descrição Modelo Fabricante
1 1 LIT-01 Transmissor de pressão
diferencial EJA110A-DM Yokogawa 2 1 FIT-01 Transmissor de pressão
diferencial EJA110A-DM Yokogawa 3 1 PIT-01 Medidor de pressão
manométrico LD-301 Smar
4 4 LSH/LSL Chave de nível tipo bóia
magnética RFS Contech
5 1 XV-01 Válvula solenóide Tipo 521 AICAS
6 1 XV-02 Válvula solenóide Tipo 521 AICAS
7 1 XV-03 Válvula solenóide Tipo 521 AICAS
8 1 PI-01 Manômetro petroquímico Módena
9 1 FV-01 Válvula de controle
eletropneumática RC-WCB Foxwall
10 1 FE-01 Placa de orifício Digitrol
11 1 Manifold Digitrol
12 1 Torquímetro MKDQ150 MK
13 1 Sensor infravermelho Vicro
13 1 Motor Convencional HD67106 Weg
14 1 Motor alto-rendimento GE30500 Weg
15 1 Bomba centrífuga 92SHB Schneider
3.2.3) Os motores
As características de placa dos motores de indução trifásicos utilizados no LAMOTRIZ são especificadas na seqüência deste trabalho :
• Motor da Linha Padrão: WEG: Modelo: HE36350; Grau de Proteção: IP55; Isolação: B; Regime: S1; Potência Nominal: 1,5 [cv]; Tensões: 220/380 [v]; Correntes: 4,27/2,47 [A]; Freqüência: 60 [Hz]; Rotação: 3370 [rpm]; (Ip/In): 7,5; Categoria: N; FS: 1,15; Rendimento: 78,6% e cos φ: 0,86.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
64
• Motor de Alto-Rendimento: WEG: Modelo: G192961; Grau de Proteção: IP55; Isolação: F; Regime: S1; Potência Nominal: 1,5 [cv]; Tensões: 220/380 [v]; Correntes: 4,02/2,33 [A]; Freqüência: 60 [Hz]; Rotação: 3390 [rpm]; (Ip/In): 7,5; Categoria: N; FS: 1,15; Rendimento: 82,5%; cos φ: 0,87.
Vale ressaltar que cada motor (convencional e de alto-rendimento) possui sensores de temperatura do tipo PT100, instalados na carcaça e em cada enrolamento do estator, permitindo a monitoração deste parâmetro via sistema supervisório.
3.2.4) O dinamômetro
O dinamômetro presente no LAMOTRIZ, e que é parte integrante da estação de trabalho da bomba centrífuga, é do tipo freio de Foucault, ou seja, um dispositivo eletromagnético de frenagem e simulação de cargas mecânicas no eixo do motor até 200% da sua condição nominal.
É composto por um braço oscilante onde são dispostas duas bobinas e um disco de alumínio, constituindo um sistema de freio por correntes de Foucault. Permite a simulação de cargas variáveis no eixo dos motores. A força aplicada ao eixo é controlada através de tensão contínua nas duas bobinas.
O equipamento tem como características principais:
Tipo: disco de Foucault; Alimentação: 220 Vca / 60 Hz;
Tensão nas bobinas: 0 a 190 Vcc, regulável por potenciômetro (conversor incorporado);
Força de frenagem: 7,0 Nm; Sensor de Força: célula de carga.
Na Figura 3.7 é possível visualizar uma fotografia com o dinamômetro tipo freio de Foucault como o utilizado no LAMOTRIZ.
65
Figura 3.7 - Dispositivo eletromagnético de frenagem e simulação de cargas
3.2.5) A bomba centrífuga
A bomba centrífuga utilizada no laboratório é de fabricação da empresa Schneider
Motobombas, de série BC e modelo 92SHA, carcaça em ferro fundido GG-15, rotor em
alumínio, selo construído em inox 304, buna N, grafite e cerâmica, 3450 rpm [38]. A figura 3.8 apresenta a curva vazão x altura x rendimento%, enquanto a figura 3.9 aponta a curva vazão x potência mecânica, ambas extraídas do catálogo fornecido pelo fabricante do equipamento.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
66
Figura 3.9 – Curva vazão x potência
a) NPSH – Net Positive Suction Head
Para que bombas centrífugas possam funcionar de modo satisfatório, necessitam da ausência de vapor na tubulação de sucção. Quando a pressão interna na bomba atinge um valor abaixo da pressão de vapor do líquido, ocorrerá a formação de bolhas de vapor nesse local. Essas bolhas se encontram e formam zonas de ar, este fenômeno é conhecido como cavitação e, reduz a eficiência da bomba, provoca ruído, vibrações e, em casos mais severos, causa fratura do rotor ou da carcaça, entre outros [33, 37].
Para que a bomba funcione sem a ocorrência de cavitação é necessária uma certa quantidade de energia aplicada ao sistema de sucção, conhecido como NPSH (Net Positive
Sucion Head). Quanto maior for a vazão da bomba e a altura de sucção negativa, maior
será a possibilidade da bomba cavitar em função do NPSH. Para que o NPSH seja satisfatório é necessário que a pressão em qualquer ponto da linha nunca venha reduzir-se à pressão de vapor do fluído bombeado [37]. Assim, para uma boa performance, o fabricante
Schneider Motobombas, responsável pela bomba centrifuga instalada no LAMOTRIZ
recomenda a seguinte situação:
NPSHd > NPSHr + 0,6
Onde;
NPSHd: é o NPSH disponível no sistema de bombeamento; NPSHr: é o NPSH requerido pela carga.
A figura 3.10 traz a curva vazão versus NPSH para a bomba instalada no Laboratório de Sistemas Motrizes da Universidade Federal de Uberlândia.
67
Figura 3.10 – Curva vazão x NPSH
3.2.6) Detalhamento dos sensores e atuadores
O detalhamento dos sensores e atuadores constituintes da bancada estão indicados no fluxograma simplificado apontado na figura 3.11 e detalhados nos itens a seguir.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
68
a) LSL-01,02 e LSH-01,02 – Chave de nível tipo bóia magnética, série – RFS
Chave de nível tipo bóia magnética, instalação lateral, conexão rosca 1/2" NPT(M), material do corpo em polipropileno, diâmetro da bóia 18 mm, 1 contato SPST, 10 Watt.
As chaves da série RFS são indicadas com o objetivo de garantir segurança de nível alto para evitar transbordamento e de nível baixo para evitar que a bomba trabalhe a vazio. Em seu princípio de funcionamento, um sensor é ativado pela bóia, conforme o nível do produto a ser medido varia, abrindo ou fechando os contatos de acordo com a configuração solicitada. A figura 3.12 registra alguns modelos destas chaves [39].
Figura 3.12 – Chaves de nível tipo bóia magnética
b) LIT-01 e FIT-01 – Transmissor de nível por pressão diferencial
LIT-01 – Transmissor de pressão diferencial, capacitivo, sinal de saída 4 a 20 mA a 2 fios, alimentação de 12 a 45 Vcc, característica linear, faixa de 0 a 1000 mmH2O, indicador local, conexão processo 1/2", suporte 2" e dreno.
FIT-01 – mesmo tipo de equipamento utilizado em LIT-01, porém para uma faixa de vazão entre 0 e 5000 mmH2O.
O equipamento utilizado é de fabricação de YOKOGAWA, modelo EJA 110 A, é um sensor que registra e transmite para o CLP o valor da pressão de liquido bombeado. Indicado para medição de pressão diferencial, absoluta e manométrica, o equipamento utiliza sensor de silício ressonante, possuindo exatidão de 0,075% dentro do alcance de 100:1. Fornece sinal de 4-20 mA para comunicação com o CLP. A figura 3.13 ilustra o sensor supra mencionado [40].
69
Figura 3.13 – Transmissor de pressão diferencial YOKOGAWA
c) XV-01 e XV-02 – Válvulas solenóides
XV-01 – Válvula solenóide, duas vias, tipo diafragma, conexão rosca BSP, diâmetro 1", normalmente fechada, alimentação 24 Vcc, bobina classe F.
XV-02 – Válvula solenóide, duas vias, tipo diafragma, conexão rosca BSP, diâmetro 3/4", normalmente aberta, alimentação 24 Vcc, bobina classe F.
Uma válvula solenóide consiste na associação entre um solenóide (ou bobina) com o núcleo móvel e seu obturador e, uma placa com um orifício, no qual é inserido o obturador de maneira a impedir ou não a passagem de fluxo. Seu funcionamento se baseia na atração do núcleo móvel quando a bobina é energizada [41].
A válvula solenóide é demonstrada na figura 3.14.
Compor ao pro com u usando esta in alimen conexã diferen capaci grande por re 3.16. rtamento elétrico d) PI-01 – Manômetro ocesso 1/2", f O princípio uma certa qu o como refe ndicado na fi e) PIT-01 Transmisso ntação de 12 ão processo O LD301, ncial, absolu itivo, ou sej eza não elét dução da ár o, mecânico e hid – Manômetro o tipo petroq faixa de 0 a o de funcion uantidade de erência, gera igura 3.15. F – Transmis or de pressão 2 a 45 Vcc, c 1/2", suport , de fabrica uta, manom a, um capac trica. Neste rea de separa dráulico de um s o químico, enc 30 kgf/cm2. namento par e líquido. A almente a p Figura 3.15 – ssor de press o manométr característica te 2" e dreno ação da Sma étrica, nível citor que so caso, a varia ação entre a sistema de bomb 70 chimento com ra esse tipo pressão é m pressão atmo – Manômetr são manomé ico, capaciti a linear, faix o [42]. ar, é um tr l e vazão. O ofre variação ação no valo as placas. Es beamento sob o e m glicerina, de manômet medida em u osférica. O ro petroquím trico ivo, sinal de xa de 0 a 30 ransmissor p O transmisso o da capacit or nominal ste transduto enfoque da eficiê diâmetro 4 tro é um tub uma das aber manômetro mico saída 4 a 20 kgf/cm2, in para mediçã or é baseado tância em fu do capacitor or está ilustr ência energética 1/2", conexã bo preenchid rturas do tub petroquímic 0 mA a 2 fio ndicador loca ão de pressã o num sens unção de um r é provocad rado na figu a ão do bo co os, al, ão or ma da ura
